(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局とを有する、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記送信局は、
前記送信局と前記受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、前記チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる無線通信システム。
【請求項２】
前記送信局は、
予め設定された前記チャネル応答行列の情報を保持している請求項１記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記受信局は、
前記送信局と受信局間の通信路の特性を測定し、該測定結果から得られる前記チャネル応答行列を生成するためのチャネル情報を前記送信局に送信し、
前記送信局は、
前記チャネル情報に基づいて前記チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項１記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記送信局は、
複数の前記送信アンテナに、全送信電力を等分して前記信号を送信する請求項１記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記送信局は、
複数の前記送信アンテナに、注水定理に基づいて全送信電力を配分して前記信号を送信する請求項１記載の無線通信システム。
【請求項６】
複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局とを有し、
前記送信局が、異なる複数の信号に対して所要の重みを付加して合成した後、複数の前記送信アンテナからそれぞれ送信し、前記受信局が、複数の受信アンテで送信局から送信された信号を受信して最大比合成を行う、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記送信局は、
前記送信局と前記受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、前記チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる無線通信システム。
【請求項７】
前記送信局は、
予め設定された前記チャネル応答行列の情報を保持している請求項６記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記受信局は、
前記送信局と受信局間の通信路の特性を測定し、該測定結果から得られる前記チャネル応答行列を生成するためのチャネル情報を前記送信局に送信し、
前記送信局は、
前記チャネル情報に基づいて前記チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項６記載の無線通信システム。
【請求項９】
複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局と、前記送信局から前記受信局に送信される信号を中継する中継局とを有する、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記中継局は、
前記中継局と前記受信局間の通信路環境を表す第１のチャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、前記第１のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる無線通信システム。
【請求項１０】
前記中継局は、
前記送信局と前記中継局間の通信路環境を表す第２のチャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、前記第２のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項９記載の無線通信システム。
【請求項１１】
前記中継局は、
予め設定された前記第１のチャネル応答行列の情報を保持している請求項９記載の無線通信システム。
【請求項１２】
前記中継局は、
予め設定された前記第２のチャネル応答行列の情報を保持している請求項１０記載の無線通信システム。
【請求項１３】
前記受信局は、
前記中継局と受信局間の通信路の特性を測定し、該測定結果から得られる前記第１のチャネル応答行列を生成するためのチャネル情報を前記中継局に送信し、
前記中継局は、
前記チャネル情報に基づいて前記第１のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項９記載の無線通信システム。
【請求項１４】
前記中継局は、
前記送信局と中継局間の通信路の特性を測定し、該測定結果から得られる前記第２のチャネル応答行列を生成するためのチャネル情報を取得し、
前記チャネル情報に基づいて前記第２のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項１０記載の無線通信システム。
【請求項１５】
前記中継局は、
複数の送信アンテナに、全送信電力を等分して前記信号を送信する請求項９記載の無線通信システム。
【請求項１６】
前記中継局は、
複数の送信アンテナに、注水定理に基づいて全送信電力を配分して前記信号を送信する請求項９記載の無線通信システム。
【請求項１７】
複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局と、前記送信局から前記受信局に送信される信号を中継する中継局とを有し、
前記送信局及び前記中継局が、異なる複数の信号に対して所要の重みを付加して合成した後、複数の前記送信アンテナからそれぞれ送信し、前記受信局が、複数の受信アンテで送信局から送信された信号を受信して最大比合成を行う、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記中継局は、
前記中継局と前記受信局間の通信路環境を表す第１のチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、前記第１のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる無線通信システム。
【請求項１８】
前記中継局は、
前記送信局と前記中継局間の通信路環境を表す第２のチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、前記第２のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項１７記載の無線通信システム。
【請求項１９】
前記中継局は、
予め設定された前記第１のチャネル応答行列の情報を保持している請求項１７記載の無線通信システム。
【請求項２０】
前記中継局は、
予め設定された前記第２のチャネル応答行列の情報を保持している請求項１８記載の無線通信システム。
【請求項２１】
前記受信局は、
前記中継局と受信局間の通信路の特性を測定し、該測定結果から得られる前記第１のチャネル応答行列を生成するためのチャネル情報を前記中継局に送信し、
前記中継局は、
前記チャネル情報に基づいて前記第１のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項１７記載の無線通信システム。
【請求項２２】
前記中継局は、
前記送信局と中継局間の通信路の特性を測定し、該測定結果から得られる前記第２のチャネル応答行列を生成するためのチャネル情報を取得し、
前記チャネル情報に基づいて前記第２のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる請求項１８記載の無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多入力多出力（ＭＩＭＯ：Multiple Input Multiple Output）技術を適用した無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、限られた周波数で大容量のデータを伝送するための技術が要求され、それを実現するための一手法としてＭＩＭＯ技術が注目を集めている。また、ＭＩＭＯ技術については、その通信容量やＢＥＲ（Bit Error Rate）を向上させるための研究が盛んに行われている。
【０００３】
ＭＩＭＯ技術を適用しない無線通信システムでは、１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃが周知のシャノンの情報理論から
【０００４】
【数１】
0004535292.tif 000002
【０００５】
で決まる（非特許文献１参照）。
【０００６】
上式より、１Ｈｚ当たりの通信容量を向上させるには、送信電力を大きくして受信ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）を大きくする必要がある。したがって、無線通信システムの低消費電力化には限界がある。それに対して、ＭＩＭＯ技術を適用すれば、送信電力を大きくしなくても、アンテナ数を増やすことで１Ｈｚあたりの通信容量を向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、ＭＩＭＯ技術を適用しても通信容量が理想的に向上するわけではない。実際の通信容量は送信局と受信局間の無線伝搬路の伝達特性（通信路環境）を表すチャネル応答行列の相関行列の固有値によって変動することが確認されている。
【０００８】
以下、このＭＩＭＯ技術を適用したＭＩＭＯ方式の無線通信システム（以下、ＭＩＭＯ通信システムと称す）の通信容量とチャネル応答行列の相関行列の固有値との関係について説明する。
【０００９】
例えば、図１２に示す２×２ＭＩＭＯ通信システムにおける１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃは、非特許文献２より
【００１０】
【数２】
0004535292.tif 000003
【００１１】
となる。ここで、γ0は全ての受信アンテナにおける受信ＳＮＲの和であり、λ1,λ2はチャネル応答行列の相関行列の固有値を示している。但し、λ1≧λ2である。
【００１２】
上記式（１）のγ0を固定値とすると、(相乗平均)≦(相加平均)の関係より
【００１３】
【数３】
0004535292.tif 000004
【００１４】
が成立し、通信容量Ｃは
【００１５】
【数４】
0004535292.tif 000005
【００１６】
で表される。したがって、通信容量Ｃはλ1＝λ2のときに最大となる。
【００１７】
この関係は、図１２に示した２×２ＭＩＭＯ通信システムに限らず、Ｍ×Ｎ（Ｍ、Ｎ：任意の数）ＭＩＭＯ通信システムでも成り立つ。すなわち、一般的に、ＭＩＭＯ通信システムではチャネル応答行列の相関行列の固有値が全て等しいときに通信容量Ｃが最大となる。なお、Ｍは送信局が備える送信アンテナ数であり、Ｎは受信局が備える受信アンテナ数である。
【００１８】
次に、通信路環境が良好である場合と通信路環境が不良である場合の通信容量Ｃについて検討する。具体的には、チャネル応答行列の相関行列の固有値のばらつきが最も少ない場合を通信路環境が良好であるとし、固有値のばらつきが最も大きい場合を通信路環境が不良であるとする。
【００１９】
まず、送信アンテナ１０１から送信される信号をｔ1、送信アンテナ１０２から送信される信号をｔ2とし、受信アンテナ１０３で受信される信号をｒ1、受信アンテナ１０４で受信される信号をｒ2とすると、これらの信号の関係は
【００２０】
【数５】
0004535292.tif 000006
【００２１】
で表される。ここで
【００２２】
【数６】
0004535292.tif 000007
【００２３】
はチャネル応答行列であり、ｎ１，ｎ2は受信アンテナ１０３、１０４で受信した信号に現れるガウス雑音である。
【００２４】
式（３）のｈ11とｈ12の位相差をθ1とし、ｈ21とｈ22の位相差をθ2とし、φ＝θ2−θ1とすると、非特許文献３より
【００２５】
【数７】
0004535292.tif 000008
【００２６】
のとき、式（３）は下記式（４）のように記述しても一般性が失われない。
【００２７】
【数８】
0004535292.tif 000009
【００２８】
但し、
【００２９】
【数９】
0004535292.tif 000010
【００３０】
の平均値は１であり、Ｋはキャリアパワーである。
【００３１】
このとき、相関行列の固有値λ1,λ2は
【００３２】
【数１０】
0004535292.tif 000011
【００３３】
となり、φを０°から１８０°まで変化させたとき、固有値λ1とλ2は図１３のグラフで示すように変化する。
【００３４】
図１３に示すグラフから分かるように、固有値のばらつきが最も小さいときは、λ1＝λ2＝１であり、固有値のばらつきが最も大きいときは、λ1＝２、λ2＝０である。
【００３５】
λ1＝λ2＝１のときの通信路環境をタイプ１とし、λ1＝２、λ2＝０のときの通信路環境をタイプ２としたとき、タイプ１，２の通信路環境における通信容量Ｃの特性を図１４に示す。
【００３６】
図１４に示すグラフから分かるように、通信容量は受信ＳＮＲの値が大きくなるほど向上する。また、通信容量は、タイプ１の通信路環境（λ1＝λ2＝１）の方がタイプ２の通信路環境（λ1＝２、λ2＝０）よりも大きくなる。さらに、固有値のばらつきが最小のときの通信路環境（λ1＝λ2＝１）と、固有値のばらつきが最大のときの通信路環境（λ1＝２、λ2＝０）とでは、受信ＳＮＲの値が大きくなるほど通信容量の差が大きくなる。
【００３７】
次に、図１２に示した２×２ＭＩＭＯ通信システムのＢＥＲについて、変調方式としてＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）を用いた場合を例にして検討する。
【００３８】
上記式（４）より、相関行列の固有値λ1,λ2は、
【００３９】
【数１１】
0004535292.tif 000012
【００４０】
であるため、ＢＥＲは下記式（５）で表すことができる。また、各φにおけるＢＥＲの特性は図１５のグラフで示すようになる。
【００４１】
【数１２】
0004535292.tif 000013
【００４２】
なお、γは受信アンテナ一つ当たりのＣＮＲ（キャリアパワー対雑音比）である。
【００４３】
図１５に示すＢＥＲ特性から分かるように、ＢＥＲは|φ|＝１８０のときに最小となる。また、このときの相関行列の固有値λ1,λ2の関係はλ1＝λ2である。
【００４４】
以上、チャネル応答行列の相関行列の固有値がばらつく通信路環境と、ばらつかない通信路環境とでは、その通信容量やＢＥＲ特性が大きく異なることを示した。
【００４５】
したがって、ＭＩＭＯ技術を適用する無線通信システムでは、従来から通信容量の向上やＢＥＲを改善するための様々な手法が検討されている。特許文献１にはその一例が記載されている。
【００４６】
特許文献１には、複数のアンテナ素子に対する重みを変化させることで指向性を変更できる適応アレイアンテナ手段を備え、行列ＨＨ*（Ｈは現在のチャネル応答行列を表し、Ｈ*はその共役転置行列を表す）の固有値を算出し、算出した固有値の平均値を含む所定の範囲内に全ての固有値が含まれるチャネル応答行列Ｈ’を算出し、現在のチャネル応答行列Ｈが該算出したチャネル応答行列Ｈ’に近づくように適応アレイアンテナ手段の指向性を調整して、実際に通信で利用できる通信路の通信容量を向上させることが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−０４５３５１号公報
【非特許文献１】福村晃夫著、「情報理論」、コロナ社、ｐ．２５３−２５４
【非特許文献２】唐沢好男、「ＭＩＭＯ伝搬チャネルモデリング」、電子情報通信学会論文誌Ｂ、ｖｏｌ．Ｊ８６−Ｂ、Ｎｏ．９、ｐｐ．１７０６−１７２０、２００３年９月
【非特許文献３】村上豊、小林聖峰、折橋雅之、松岡剛史、「ＭＩＭＯシステムにおける固有値を用いたＢＥＲ特性の解析」、信学技報、ＩＴ２００２−７６、ＩＳＥＣ２００２−１３４、ＳＳＴ２００２−１８２、ＩＴＳ２００２−１５９(２００３−０３)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４７】
上述したようにＭＩＭＯ通信システムでは、従来から通信容量の向上やＢＥＲを改善するための様々な手法が検討されている。
【００４８】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、通信路環境に係わらず、通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にできるＭＩＭＯ方式の無線通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４９】
上記目的を達成するため本発明の無線通信システムは、複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局とを有する、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記送信局は、
前記送信局と前記受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、前記チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる構成である。
【００５０】
または、複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局とを有し、
前記送信局が、異なる複数の信号に対して所要の重みを付加して合成した後、複数の前記送信アンテナからそれぞれ送信し、前記受信局が、複数の受信アンテで送信局から送信された信号を受信して最大比合成を行う、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記送信局は、
前記送信局と前記受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、前記チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる構成である。
【００５１】
または、複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局と、前記送信局から前記受信局に送信される信号を中継する中継局とを有する、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記中継局は、
前記中継局と前記受信局間の通信路環境を表す第１のチャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、前記第１のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる構成である。
【００５２】
または、複数の送信アンテナで信号を送信する送信局と、前記送信局から送信された信号を複数の受信アンテナで受信する受信局と、前記送信局から前記受信局に送信される信号を中継する中継局とを有し、
前記送信局及び前記中継局が、異なる複数の信号に対して所要の重みを付加して合成した後、複数の前記送信アンテナからそれぞれ送信し、前記受信局が、複数の受信アンテで送信局から送信された信号を受信して最大比合成を行う、多入力多出力方式の無線通信システムであって、
前記中継局は、
前記中継局と前記受信局間の通信路環境を表す第１のチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、前記第１のチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる構成である。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にできるＭＩＭＯ方式の無線通信システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
次に本発明について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、送信局により全送信電力を等分して複数の送信アンテナからそれぞれ信号を送信し、受信局により複数の受信アンテナで送信局から送信された信号を受信する、図１に示すＭＩＭＯ方式の無線通信システム（以下、通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムと称す）に好適な例である。なお、図１は送信局が２つの送信アンテナ８０１及び８０２から信号を送信し、受信局が２つの受信アンテナ８０３及び８０４で信号を受信する構成例を示している。
【００５５】
第１の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムは、送信局に、送信前の信号（ＩＦＦＴ処理前の信号）に位相制御行列Ｇを乗算する位相制御装置を備え、送信局と受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、位相制御装置を用いてチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる。それにより、図１に示す通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にする。以下、そのための具体的な構成及び動作について説明する。
【００５６】
まず、第１の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの構成について、図２に示す２×２ＭＩＭＯ通信システムを例にして説明する。
【００５７】
図２に示すように、第１の実施例の形態のＭＩＭＯ通信システムは、２つの送信アンテナ１２０１及び１２０２、位相制御装置１２０４、制御部１２０８並びに記憶部１２０９を備えた送信局１２０３と、２つの受信アンテナ１２０５及び１２０６を備えた受信局１２０７とを有する構成である。
【００５８】
位相制御装置１２０４は、送信局１２０３と受信局１２０７間の通信路環境を表すチャネル応答行列の各要素の位相を変化させるためのものである。
【００５９】
制御部１２０８は、位相制御装置１２０４によるチャネル応答行列の各要素の位相変化量を制御する。位相制御装置１２０４及び制御部１２０８は、例えばプログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵやＤＳＰ、あるいはそれらと各種の論理回路やＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等のアナログ処理回路を組み合わせることで実現できる。
【００６０】
一般に、無線通信システムを構成する無線基地局装置や端末装置等は送信局１２０３及び受信局１２０７としての機能をそれぞれ備えている。また、受信局１２０７には、通信路の状態に応じて、最適な伝送レート、変調方式あるいは符号化方式等を選択するために、送信局と受信局間の通信路特性を周知の方法を用いて測定する機能や、その測定結果（チャネル情報）を送信側（送信局１２０３）に通知する機能を備えている。その場合、送信局１２０３は、該チャネル情報に基づいてチャネル応答行列を生成し、生成したチャネル応答行列の各要素の位相を調整してもよい。なお、通信路環境の変動が少ないと予想される場合（固定端末装置間の通信等）、チャネル応答行列は予め設定した固定値であってもよい。
【００６１】
記憶部１２０９は、予め設定されたチャネル応答行列の情報や上記受信局１２０７から送信されたチャネル情報を保持するために用いられる。
【００６２】
送信局１２０３は、送信する前の信号をシリアルパラレル変換して２系統の送信信号を生成する。位相制御装置１２０４は２系統の送信信号にそれぞれの位相を変化させるための位相制御行列Ｇを乗算する。位相制御行列Ｇが乗算された一方の系統の送信信号は送信アンテナ１２０１から送信され、他方の系統の送信信号は送信アンテナ１２０２から送信される。
【００６３】
送信アンテナ１２０１及び１２０２から送信された信号は、受信局１２０７の受信アンテナ１２０５及び１２０６で受信される。このとき、受信局１２０７で受信した信号は、送信局１２０３から送信された信号と、送信局１２０３と受信局１２０７間の通信路環境を表すチャネル応答行列Ｈ1との乗算結果と等価になる。なお、位相制御行列Ｇ、及びチャネル応答行列Ｈ1は、図２に示すように
【００６４】
【数１３】
0004535292.tif 000014
【００６５】
とする。
【００６６】
ここで、送信アンテナ１２０１から送信される信号をｔ1、送信アンテナ１２０２から送信される信号をｔ2とし、受信アンテナ１２０５で受信する信号をｒ1、受信アンテナ１２０６で受信する信号をｒ2とすると、これらの信号の関係は
【００６７】
【数１４】
0004535292.tif 000015
【００６８】
で表される。このとき
【００６９】
【数１５】
0004535292.tif 000016
【００７０】
とおくと、θ1、θ2、θ3、θ4を変化させることで、φ1、φ2、φ3、φ4を任意に変化させることができる。
【００７１】
次に、上記チャネル応答行列Ｈ2の相関行列の固有値について検討する。
【００７２】
参考文献１（唐沢好男、谷口哲樹、張  毅民、「ＭＩＭＯ構成における最大比合成ダイバーシチＯＦＤＭの最適伝送について」、信学技報、Ａ・Ｐ  ２００１−１９６、ｐ．４５−５２、２００２−１）よれば、チャネル応答行列Ｈ2の相関行列の固有値λ1、λ2（λ1≧λ2）は以下のように表される。
【００７３】
【数１６】
0004535292.tif 000017
【００７４】
但し、ξ=φ1+φ4-φ2-φ3である。
【００７５】
代表的な例として、
【００７６】
【数１７】
0004535292.tif 000018
【００７７】
とすると、
【００７８】
【数１８】
0004535292.tif 000019
【００７９】
になる。
【００８０】
続いて、上記λ1及びλ2に関する式を用いて、ξを変化させた時の通信容量及びＢＥＲについて検討する。
【００８１】
第１の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおける１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃは、全ての受信アンテナにおける受信ＳＮＲの和をγとすると、上記非特許文献２より
【００８２】
【数１９】
0004535292.tif 000020
【００８３】
となる。
【００８４】
この式に基づく、ξの変化に対する通信容量の特性の変化の様子を図３に示す。
【００８５】
図３に示すように、１Ｈｚあたりの通信容量Ｃは、ξを大きくすると向上し、ξの絶対値が１８０°のときに最大となる。
【００８６】
一方、第１の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおけるＢＥＲは、変調方式にＱＰＳＫを用いている場合、以下の式のようになる。
【００８７】
【数２０】
0004535292.tif 000021
【００８８】
この式に基づく、ξの変化に対するＢＥＲの特性の変化の様子を図４に示す。
【００８９】
図４に示しように、ＢＥＲは、ξを大きくすると小さくなり、ξの絶対値が１８０°のときに最小となる。
【００９０】
したがって、送信局１２０３が備える位相制御装置１２０４によって送信する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が１８０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【００９１】
次に第１の実施の形態の送信局１２０３が備える位相制御装置１２０４の動作について図５を用いて説明する。
【００９２】
図５に示すように、位相制御装置１２０４は、２つの系統の送信信号を遅延させる位相制御器１３０３〜１３０６と、位相制御器１３０３〜１３０６から出力された信号を加算する加算器１３０７及び１３０８とを備えている。
【００９３】
データ入力端子１３０１から入力された送信信号は２つに分岐される。分岐された信号の一方は位相制御器１３０３により位相がθ1だけ遅延され、分岐された信号の他方は位相制御器１３０４により位相がθ3だけ遅延される。
【００９４】
同様に、データ入力端子１３０２から入力された送信信号は２つに分岐され、分岐された信号の一方は位相制御器１３０５により位相がθ2だけ遅延され、分岐された信号の他方は位相制御器１３０６により位相がθ4だけ遅延される。
【００９５】
位相制御器１３０３で位相がθ1だけ遅延された信号と位相制御器１３０５で位相がθ2だけ遅延された信号は加算器１３０７で加算され、データ出力端子１３０９から出力される。
【００９６】
同様に、位相制御器１３０４で位相がθ2だけ遅延された信号と位相制御器１３０６で位相がθ4だけ遅延された信号は加算器１３０８で加算され、データ出力端子１３１０から出力される。
【００９７】
上記位相制御器１３０３〜１３０６並びに加算器１３０７及び１３０８による位相制御装置１２０４の処理は、送信する信号に位相制御行列Ｇを乗算して出力する処理と等価であり、チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる処理と等価になる。したがって、本実施形態のＭＩＭＯ通信システムによれば、位相制御装置１２０４によってチャネル応答行列の相関行列の固有値を意図的に操作できる。そのため、位相制御装置１２０４により送信する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が１８０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【００９８】
上述した背景技術のＭＩＭＯ通信システムでは、チャネル応答行列の相関行列の固有値を調整することなく信号を送受信している。したがって、通信容量やＢＥＲが通信路環境に依存して決まり、通信路環境が劣悪な場合は通信容量が低下し、かつＢＥＲが大きくなっていた。一方、本実施形態のＭＩＭＯ通信システムでは、チャネル応答行列の相関行列の固有値を意図的に操作することで、いかなる通信路環境においても通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムは、送信局により異なる複数の信号に対して所要の重みを付加して合成した後、複数の送信アンテナからそれぞれ送信し、受信局により複数の受信アンテで送信局から送信された信号を受信して最大比合成を行う、図６に示すＭＩＭＯ方式の無線通信システム（以下、最大比合成伝送方式のＭＩＭＯ通信システムと称す）に好適な例である。なお、図６は送信局が２つの送信アンテナ９０３及び９０４から信号を送信し、受信局が２つの受信アンテナ９０５及び９０６で信号を受信する構成例を示している。
【００９９】
第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムは、第１の実施の形態と同様に、送信局に、送信前の信号（ＩＦＦＴ処理前の信号）に位相制御行列Ｇを乗算する位相制御装置を備え、送信局と受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、位相制御装置を用いてチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる。それにより、図１に示す通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にする。
【０１００】
以下、第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムについて、第１の実施の形態と同様に、図２に示した２×２ＭＩＭＯ通信システムを例にして説明する。
【０１０１】
なお、ＭＩＭＯ通信システムの構成、送信局１２０３と受信局１２０７間の通信路環境を表すチャネル応答行列Ｈ1および位相制御行列Ｇは、第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。
【０１０２】
第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムでは、送信アンテナ１２０１から送信される信号をｔ1、送信アンテナ１２０２から送信される信号をｔ2とし、受信アンテナ１２０５で受信する信号をｒ1、受信アンテナ１２０６で受信する信号をｒ2とすると、これらの信号の関係は
【０１０３】
【数２１】
0004535292.tif 000022
【０１０４】
で表される。このとき
【０１０５】
【数２２】
0004535292.tif 000023
【０１０６】
とおけば、θ1、θ2、θ3、θ4を変化させることで、φ1、φ2、φ3、φ4を任意に変化させることができる。
【０１０７】
また、上記参考文献１によれば、チャネル応答行列Ｈ2の相関行列の固有値λ1、λ2（λ1≧λ2）は、以下のように表される。
【０１０８】
【数２３】
0004535292.tif 000024
【０１０９】
但し、ξ=φ1+φ4-φ2-φ3である。
【０１１０】
代表的な例として、
【０１１１】
【数２４】
0004535292.tif 000025
【０１１２】
とすると、
【０１１３】
【数２５】
0004535292.tif 000026
【０１１４】
になる。
【０１１５】
したがって、第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおける１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃは、全ての受信アンテナにおける受信ＳＮＲの和をγとすると、上記非特許文献２より
【０１１６】
【数２６】
0004535292.tif 000027
【０１１７】
となる。
【０１１８】
この式に基づく、ξの変化に対する通信容量の特性の変化の様子を図７に示す。
【０１１９】
図７に示すように、１Ｈｚあたりの通信容量Ｃは、ξを小さくすると向上し、ξの絶対値が０°のときに最大となる。
【０１２０】
一方、第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおけるＢＥＲは、変調方式にＱＰＳＫを用いている場合、以下の式のようになる。
【０１２１】
【数２７】
0004535292.tif 000028
【０１２２】
この式に基づく、ξの変化に対するＢＥＲの特性の変化の様子を図８に示す。
【０１２３】
図８に示しように、ＢＥＲは、ξを小さくすると小さくなり、ξの絶対値が０°のときに最小となる。
【０１２４】
したがって、第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムによれば、送信局１２０３が備える位相制御装置１２０４により送信する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【０１２５】
第２の実施の形態の送信局１２０３が備える位相制御装置１２０４の構成及び動作は、第１の実施の形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、図１に示した通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムに好適な例である。
【０１２６】
第３の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムは、送信局と受信局間に、送信局から受信局に送信される信号を中継する中継局を備えた構成である。中継局は、第１の実施の形態で示した位相制御装置と同様に、中継する信号に対して位相制御行列Ｇを乗算し、送信局と中継局及び中継局と受信局間の通信路環境を表す各チャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、位相制御装置を用いてチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる。それにより、通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にする。以下、そのための具体的な構成及び動作について説明する。
【０１２７】
まず、第３の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの構成について、図９に示す２×２ＭＩＭＯ通信システムを例にして説明する。
【０１２８】
図９に示すように、第３の実施例の形態のＭＩＭＯ通信システムは、２つの送信アンテナ４０１及び４０２を備えた送信局４０３と、２つの受信アンテナ４０９及び４１０を備えた受信局４１１と、２つの送信アンテナ４０４及び４０５、制御部４１２、記憶部４１３並びに２つの受信アンテナ４０６及び４０７を備えた中継局４０８とを有する構成である。
【０１２９】
中継局４０８は、送信局４０３と中継局４０８間の通信路環境を表すチャネル応答行列（第１のチャネル応答行列）、並びに中継局４０８と受信局４１１間の通信路環境を表すチャネル応答行列（第２のチャネル応答行列）の各要素の位相を変化させる。
【０１３０】
制御部４１２は、中継局４０８による各チャネル応答行列の各要素の位相変化量を制御する。制御部４１２は、例えばプログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵやＤＳＰ、あるいはそれらと各種の論理回路やＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等のアナログ処理回路を組み合わせることで実現できる。中継局４０８は、送信部及び受信部を備えた周知の無線通信部並びにプログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵやＤＳＰ、あるいはそれらと各種の論理回路やＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等のアナログ処理回路を組み合わせることで実現できる。
【０１３１】
一般に、無線通信システムを構成する無線基地局装置や端末装置等は、送信局４０３、中継局４０８及び受信局４１１としての機能をそれぞれ備えている。また、中継局４０８には、通信路の状態に応じて、最適な伝送レート、変調方式あるいは符号化方式等を選択するために、送信局４０３と中継局４０８間の通信路特性を周知の方法を用いて測定する機能や、その測定結果（チャネル情報）を送信側（送信局）に通知する機能を備えている。同様に、受信局４１１には、通信路の状態に応じて、最適な伝送レート、変調方式あるいは符号化方式等を選択するために、中継局４０８と受信局４１１間の通信路特性を周知の方法を用いて測定する機能や、その測定結果（チャネル情報）を送信側（送信局）に通知する機能を備えている。その場合、中継局４０８は、自身で測定したチャネル情報に基づいて送信局４０３と中継局４０８間のチャネル応答行列を生成し、生成したチャネル応答行列の各要素の位相を調整してもよい。また、中継局４０８は、受信局４１１から通知されるチャネル情報に基づいて中継局４０８と受信局４１１間のチャネル応答行列を生成し、生成したチャネル応答行列の各要素の位相を調整してもよい。なお、通信路環境の変動が少ないと予想される場合（固定端末装置間の通信等）、チャネル応答行列は予め設定した固定値であってもよい。
【０１３２】
記憶部４１３は、予め設定されたチャネル応答行列の情報や上記受信局４１１から送信されたチャネル情報を保持するために用いられる。
【０１３３】
送信局４０３は、異なる送信信号を２つの送信アンテナ４０１及び４０２を介して送信する。
【０１３４】
中継局４０８は、送信局４０３から送信された信号を受信アンテナ４０６及び４０７で受信する。このとき、中継局４０８で受信した信号は、送信局４０３から送信された信号と、送信局４０３と中継局４０８間の通信路環境を表すチャネル応答行列（第１のチャネル応答行列）Ｈ1との乗算結果と等価になる。
【０１３５】
中継局４０８は、受信アンテナ４０４及び４０５で受信した信号に位相制御行列Ｇを乗算し、乗算結果を送信アンテナ４０６及び４０７から送信する。
【０１３６】
受信局４１１は、中継局４０８から送信された信号を受信アンテナ４０９及び４１０で受信する。このとき、受信局４１１で受信した信号は、中継局４０８から送信された信号と、中継局４０８と受信局４１１間の通信路環境を表すチャネル応答行列（第２のチャネル応答行列）Ｈ2との乗算結果と等価になる。なお、位相制御行列Ｇ、及びチャネル応答行列Ｈ1及びＨ2は、図９に示すように
【０１３７】
【数２８】
0004535292.tif 000029
【０１３８】
とする。
【０１３９】
ここで、送信アンテナ４０１から送信される信号をｔ1、送信アンテナ４０２から送信される信号をｔ2とし、受信アンテナ４０９で受信する信号をｒ1、受信アンテナ４１０で受信する信号をｒ2とすると、これらの信号の関係は
【０１４０】
【数２９】
0004535292.tif 000030
【０１４１】
で表される。このとき
【０１４２】
【数３０】
0004535292.tif 000031
【０１４３】
とおけば、θ1、θ2、θ3、θ4を変化させることで、φ1、φ2、φ3、φ4を任意に変化させることができる。
【０１４４】
次に、送信局４０３と受信局４１１間のチャネル応答行列Ｈ3の相関行列の固有値について検討する。
【０１４５】
上記参考文献１によれば、チャネル応答行列Ｈ3の相関行列の固有値λ1、λ2（λ1≧λ2）は、以下のように表される。
【０１４６】
【数３１】
0004535292.tif 000032
【０１４７】
但し、ξ=φ1+φ4-φ2-φ3である。
【０１４８】
代表的な例として、
【０１４９】
【数３２】
0004535292.tif 000033
【０１５０】
とすると、
【０１５１】
【数３３】
0004535292.tif 000034
【０１５２】
となる。
【０１５３】
上記λ1及びλ2に関する式を用いて、ξを変化させた時の通信容量及びＢＥＲについて検討する。
【０１５４】
第３の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおける１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃは、全ての受信アンテナにおける受信ＳＮＲの和をγとすると、上記非特許文献２より
【０１５５】
【数３４】
0004535292.tif 000035
【０１５６】
となる。
【０１５７】
この式に基づく、ξの変化に対する通信容量の特性は、第１の実施の形態と同様に図３のグラフで示すように変化し、１Ｈｚあたりの通信容量Ｃは、ξを大きくすると向上し、ξの絶対値が１８０°のときに最大となる。
【０１５８】
一方、第３の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおけるＢＥＲは、変調方式にＱＰＳＫを用いている場合、以下の式のようになる。
【０１５９】
【数３５】
0004535292.tif 000036
【０１６０】
この式に基づく、ξの変化に対するＢＥＲの特性は、第１の実施の形態と同様に図４のグラフで示すように変化し、ＢＥＲは、ξを大きくすると小さくなり、ξの絶対値が１８０°のときに最小となる。
【０１６１】
したがって、中継器４０８によって中継する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が１８０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【０１６２】
次に第３の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムが備える中継器４０８の動作について図１０を用いて説明する。
【０１６３】
図１０に示すように、中継器１２０４は、２つの系統の受信信号を遅延させる位相制御器５０３〜５０６と、位相制御器５０３〜５０６から出力された信号を加算する加算器５０７及び５０８とを備えている。
【０１６４】
受信アンテナ５０１で受信した信号は２つに分岐され、分岐された信号の一方は位相制御器５０３により位相がθ1だけ遅延され、分岐された信号の他方は位相制御器５０４により位相がθ3だけ遅延される。
【０１６５】
同様に、受信アンテナ５０２で受信した信号は２つに分岐され、分岐された信号の一方は位相制御器５０５により位相がθ3だけ遅延され、分岐された信号の他方は位相制御器５０６により位相がθ4だけ遅延される。
【０１６６】
位相制御器５０３で位相がθ1だけ遅延された信号と位相制御器５０５で位相がθ2だけ遅延された信号は加算器５０７で加算され、送信アンテナ５０９から送信される。
【０１６７】
同様に、位相制御器５０４で位相がθ2だけ遅延された信号と位相制御器５０６で位相がθ4だけ遅延された信号は加算器５０８で加算され、送信アンテナ５１０から送信される。
【０１６８】
上記位相制御器５０３〜５０６並びに加算器５０７及び５０８による中継局４０８の処理は、送信する信号に位相制御行列Ｇを乗算して出力する処理と等価であり、チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる処理と等価になる。したがって、本実施形態のＭＩＭＯ通信システムによれば、中継局４０８によってチャネル応答行列の相関行列の固有値を意図的に操作できる。そのため、中継局４０８により中継する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が１８０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【０１６９】
なお、上記説明では、中継局４０８が送信局４０３と中継局４０８間の通信路環境を表すチャネル応答行列（第１のチャネル応答行列）Ｈ1及び中継局４０８と受信局４１１間の通信路環境を表すチャネル応答行列（第２のチャネル応答行列）Ｈ2をそれぞれ用いて中継する信号の位相を調整する例を示したが、中継局４０８は第１のチャネル応答行列Ｈ1または第２のチャネル応答行列）Ｈ2のいずれか一方のみ用いて中継する信号の位相を調整してもよい。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、図６に示した最大比合成伝送方式のＭＩＭＯ通信システムに好適な例である。
【０１７０】
第４の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムは、第３の実施の形態と同様に、中継局により中継する信号に対して位相制御行列Ｇを乗算し、送信局と受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、チャネル応答行列の各要素の位相を変化させる。それにより、最大比合成伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にする。
【０１７１】
以下、第４の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムについて、第３の実施の形態と同様に、図９に示した２×２ＭＩＭＯ通信システムを例にして説明する。
【０１７２】
なお、ＭＩＭＯ通信システムの構成、送信局４０３と中継局４０８間の通信路環境を表すチャネル応答行列Ｈ1、中継局４０８と受信局４１１間の通信路環境を表すチャネル応答行列Ｈ2および位相制御行列Ｇは、第３の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。
【０１７３】
第４の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムでは、送信アンテナ４０１から送信される信号をｔ1、送信アンテナ４０２から送信される信号をｔ2とし、受信アンテナ４０９で受信する信号をｒ1、受信アンテナ４１０で受信する信号をｒ2とすると、これらの信号の関係は
【０１７４】
【数３６】
0004535292.tif 000037
【０１７５】
で表される。このとき
【０１７６】
【数３７】
0004535292.tif 000038
【０１７７】
とおけば、θ1、θ2、θ3、θ4を変化させることで、φ1、φ2、φ3、φ4を任意に変化させることができる。
【０１７８】
また、上記参考文献１によれば、チャネル応答行列Ｈ3の相関行列の固有値λ1、λ2（λ1≧λ2）は、以下のように表される。
【０１７９】
【数３８】
0004535292.tif 000039
【０１８０】
但し、ξ=φ1+φ4-φ2-φ3である。
【０１８１】
代表的な例として、
【０１８２】
【数３９】
0004535292.tif 000040
【０１８３】
とすると、
【０１８４】
【数４０】
0004535292.tif 000041
【０１８５】
になる。
【０１８６】
したがって、第４の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおける１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃは、全ての受信アンテナにおける受信ＳＮＲの和をγとすると、上記非特許文献２より
【０１８７】
【数４１】
0004535292.tif 000042
【０１８８】
となる。
【０１８９】
この式に基づく、ξの変化に対する通信容量の特性は、第２の実施の形態と同様に図７のグラフで示すように変化し、１Ｈｚあたりの通信容量Ｃは、ξを小さくすると向上し、ξの絶対値が０°のときに最大となる。
【０１９０】
一方、第４の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおけるＢＥＲは、変調方式にＱＰＳＫを用いている場合、以下の式のようになる。
【０１９１】
【数４２】
0004535292.tif 000043
【０１９２】
この式に基づく、ξの変化に対するＢＥＲの特性は、第２の実施の形態と同様に図８のグラフで示すように変化し、ＢＥＲは、ξを小さくすると小さくなり、ξの絶対値が０°のときに最小となる。
【０１９３】
したがって、第４の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムによれば、中継器４０８により中継する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【０１９４】
第４の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムが備える中継器４０８の構成及び動作は、第３の実施の形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態は、図１に示した通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムに好適な例である。但し、第５の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムでは、各送信アンテナに対して周知の注水定理に基づき電力が分配されるものとする。電力分配の注水定理については、例えば参考文献２（尾崎一幸、中島昭範、安達文幸、「ターボ符号化ＨＡＲＱを用いる固有モードＭＩＭＯの多重のスループット特性」、信学技報）に記載されている。
【０１９５】
第５の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムは、第１の実施の形態と同様に、送信局に、送信前の信号（ＩＦＦＴ処理前の信号）に位相制御行列Ｇを乗算する位相制御装置を備え、送信局と受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最小固有値が最大となるように、位相制御装置を用いてチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる。それにより、通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にする。以下、そのための具体的な構成及び動作について説明する。
【０１９６】
まず、第５の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの構成について、図１１に示す２×２ＭＩＭＯ通信システムを例にして説明する。
【０１９７】
図１１に示すように、第５の実施例の形態のＭＩＭＯ通信システムは、２つの送信アンテナ１５０１及び１５０２並びに位相制御装置１５０４を備えた送信局１５０３と、２つの受信アンテナ１５０５及び１５０６を備えた受信局１５０７とを有する構成である。
【０１９８】
送信局１５０３は、送信する前の信号をシリアルパラレル変換して２系統の送信信号を生成する。位相制御装置１５０４は２系統の送信信号にそれぞれの位相を変化させるための位相制御行列Ｇを乗算する。位相制御行列Ｇが乗算された一方の系統の送信信号は送信アンテナ１５０１から送信され、他方の系統の送信信号は送信アンテナ１５０２から送信される。
【０１９９】
送信アンテナ１５０１及び１５０２から送信された信号は、受信局１５０７の受信アンテナ１５０５及び１５０６で受信される。このとき、受信局１５０７で受信した信号は、送信局１５０３から送信された信号と、送信局１５０３と受信局１５０７間の通信路環境を表すチャネル応答行列Ｈ1との乗算結果と等価になる。なお、位相制御行列Ｇ、及びチャネル応答行列Ｈ1は、図１１に示すように
【０２００】
【数４３】
0004535292.tif 000044
【０２０１】
とする。
【０２０２】
ここで、送信アンテナ１５０１から送信される信号をｔ1、送信アンテナ１５０２から送信される信号をｔ2とし、受信アンテナ１５０５で受信する信号をｒ1、受信アンテナ１５０６で受信する信号をｒ2とすると、これらの信号の関係は
【０２０３】
【数４４】
0004535292.tif 000045
【０２０４】
で表される。ここで
【０２０５】
【数４５】
0004535292.tif 000046
【０２０６】
とおくと、
【０２０７】
【数４６】
0004535292.tif 000047
【０２０８】
となる。
【０２０９】
次に、上記チャネル応答行列Ｈ2の相関行列の固有値について検討する。
【０２１０】
上記参考文献１によれば、チャネル応答行列Ｈ2の相関行列の固有値λ1、λ2（λ1≧λ2）は、以下のように表される。
【０２１１】
【数４７】
0004535292.tif 000048
【０２１２】
但し、ξ＝θ11＋θ22−θ12−θ21＋θ1＋θ4−θ2−θ3である。
【０２１３】
代表的な例として、
【０２１４】
【数４８】
0004535292.tif 000049
【０２１５】
とすると、
【０２１６】
【数４９】
0004535292.tif 000050
【０２１７】
となる。
【０２１８】
上記λ1及びλ2に関する式を用いて、ξを変化させた時の通信容量及びＢＥＲについて検討する。
【０２１９】
第５の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおける１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃは、全ての受信アンテナにおける受信ＳＮＲの和をγとすると、上記非特許文献２より
【０２２０】
【数５０】
0004535292.tif 000051
【０２２１】
となる。
【０２２２】
この式に基づく、ξの変化に対する通信容量の特性は、第１の実施の形態と同様に図３のグラフで示すように変化し、１Ｈｚあたりの通信容量Ｃは、ξを大きくすると向上し、ξの絶対値が１８０°のときに最大となる。
【０２２３】
一方、第３の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおけるＢＥＲは、変調方式にＱＰＳＫを用いている場合、以下の式のようになる。
【０２２４】
【数５１】
0004535292.tif 000052
【０２２５】
この式に基づく、ξの変化に対するＢＥＲの特性は、第１の実施の形態と同様に図４のグラフで示すように変化し、ＢＥＲは、ξを大きくすると小さくなり、ξの絶対値が１８０°のときに最小となる。
【０２２６】
したがって、第５の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムによれば、送信局１５０３が備える位相制御装置１５０４によって送信する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が１８０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【０２２７】
第５の実施の形態の送信局１５０３が備える位相制御装置１５０４の構成及び動作は、第１の実施の形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態は、図６に示した最大比合成伝送方式のＭＩＭＯ通信システムに好適な例である。但し、第６の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムも、第５の実施の形態と同様に、各送信アンテナに対して周知の注水定理に基づき電力が分配されるものとする。
【０２２８】
第６の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムは、第１の実施の形態と同様に、送信局に、送信前の信号（ＩＦＦＴ処理前の信号）に位相制御行列Ｇを乗算する位相制御装置を備え、送信局と受信局間の通信路環境を表すチャネル応答行列の相関行列の最大固有値が最大となるように、位相制御装置を用いてチャネル応答行列の各要素の位相を変化させる。それにより、図６に示す最大比合成伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの通信容量を最大にし、ＢＥＲを最小にする。以下、そのための具体的な構成及び動作について説明する。
【０２２９】
以下、第６の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムについて、第５の実施の形態と同様に、図１１に示した２×２ＭＩＭＯ通信システムを例にして説明する。
【０２３０】
なお、ＭＩＭＯ通信システムの構成、送信局１５０３と受信局１５０７間の通信路環境を表すチャネル応答行列Ｈ1および位相制御行列Ｇは、第５の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。
【０２３１】
第６の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムでは、送信アンテナ１５０１から送信される信号をｔ1、送信アンテナ１５０２から送信される信号をｔ2とし、受信アンテナ１５０５で受信する信号をｒ1、受信アンテナ１５０６で受信する信号をｒ2とすると、これらの信号の関係は
【０２３２】
【数５２】
0004535292.tif 000053
【０２３３】
で表される。ここで
【０２３４】
【数５３】
0004535292.tif 000054
【０２３５】
とおくと、
【０２３６】
【数５４】
0004535292.tif 000055
【０２３７】
となる。
【０２３８】
また、上記参考文献１によれば、チャネル応答行列Ｈ2の相関行列の固有値λ1、λ2（λ1≧λ2）は、以下のように表される。
【０２３９】
【数５５】
0004535292.tif 000056
【０２４０】
但し、ξ＝θ11＋θ22−θ12−θ21＋θ1＋θ4−θ2−θ3である。
【０２４１】
代表的な例として、
【０２４２】
【数５６】
0004535292.tif 000057
【０２４３】
とすると、
【０２４４】
【数５７】
0004535292.tif 000058
【０２４５】
になる。
【０２４６】
したがって、第６の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおける１Ｈｚ当たりの通信容量Ｃは、全ての受信アンテナにおける受信ＳＮＲの和をγとすると、上記非特許文献２より
【０２４７】
【数５８】
0004535292.tif 000059
【０２４８】
となる。
【０２４９】
この式に基づく、ξの変化に対する通信容量の特性は、第２の実施の形態と同様に図７のグラフで示すように変化し、１Ｈｚあたりの通信容量Ｃは、ξを小さくすると向上し、ξの絶対値が０°のときに最大となる。
【０２５０】
一方、第６の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムにおけるＢＥＲは、変調方式にＱＰＳＫを用いている場合、以下の式のようになる。
【０２５１】
【数５９】
0004535292.tif 000060
【０２５２】
この式に基づく、ξの変化に対するＢＥＲの特性は、第２の実施の形態と同様に図８のグラフで示すように変化し、ＢＥＲは、ξを小さくすると小さくなり、ξの絶対値が０°のときに最小となる。
【０２５３】
したがって、第６の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムによれば、中継器４０８により中継する信号の各位相θ1、θ2、θ3、θ4を変化させてξの絶対値が０°となるように調整すれば、通信容量が最大であり、かつＢＥＲが最小となるＭＩＭＯ通信システムを実現できる。
【０２５４】
第６の実施の形態の送信局１５０３が備える位相制御装置１５０４の構成及び動作は、第１の実施の形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【０２５５】
上述した第１の実施の形態〜第６の実施の形態では、２×２ＭＩＭＯ通信システムを例にして、本発明の構成や動作及び効果について説明したが、本発明はＭ×Ｎ（Ｍ、Ｎ：任意の数）ＭＩＭＯ通信システムに適用しても第１の実施の形態〜第６の実施の形態で示した２×２ＭＩＭＯ通信システムと同様の効果が得られる。なお、Ｍは送信局が備える送信アンテナ数であり、Ｎは受信局が備える受信アンテナ数である。
【図面の簡単な説明】
【０２５６】
【図１】本発明を適用する通常伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの一構成例を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムのξの変化に対する通信容量の特性の変化を示すグラフである。
【図４】第１の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムのξの変化に対するＢＥＲの特性の変化を示すグラフである。
【図５】図２に示した送信局が備える位相制御装置の一構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用する最大比合成伝送方式のＭＩＭＯ通信システムの一構成例を示すブロック図である。
【図７】第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムのξの変化に対する通信容量の特性の変化を示すグラフである。
【図８】第２の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムのξの変化に対するＢＥＲの特性の変化を示すグラフである。
【図９】第３の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの一構成例を示すブロック図である。
【図１０】図９に示したＭＩＭＯ通信システムが備える中継局の一構成例を示すブロック図である。
【図１１】第５の実施の形態のＭＩＭＯ通信システムの一構成例を示すブロック図である。
【図１２】２×２ＭＩＭＯ通信システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】背景技術のＭＩＭＯ通信システムにおける、φの変化に対する固有値λ1及びλ2の変化の様子を示すグラフである。
【図１４】固有値のばらつきが最も小さいときの通信路環境及び固有値のばらつきが最も大きいときの通信路環境における通信容量の特性を示すグラフである。
【図１５】背景技術のＭＩＭＯ通信システムのφの変化に対するＢＥＲの特性の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【０２５７】
４０１、４０２、４０６、４０７、５０１、５０２、８０１、８０２、９０３、９０４、１２０１、１２０２、１５０１、１５０２    送信アンテナ
４０３、１２０３、１５０３    送信局
４０４、４０５、４０９、４１０、５０９、５１０、８０３、８０４、９０５、９０６、１２０５、１２０６、１５０５、１５０６    受信アンテナ
４０８    中継局
４１１、１２０７、１５０７    受信局
４１２、１２０８    制御部
４１３、１２０９    記憶部
５０３〜５０６、１３０３〜１３０６    位相制御器
５０７、５０８、１３０７、１３０８    加算器
１２０４、１５０４    位相制御装置
１３０１、１３０２    データ入力端子
１３０９、１３１０    データ出力端子
【図１】
0004535292.tif 000061
【図２】
0004535292.tif 000062
【図３】
0004535292.tif 000063
【図４】
0004535292.tif 000064
【図５】
0004535292.tif 000065
【図６】
0004535292.tif 000066
【図７】
0004535292.tif 000067
【図８】
0004535292.tif 000068
【図９】
0004535292.tif 000069
【図１０】
0004535292.tif 000070
【図１１】
0004535292.tif 000071
【図１２】
0004535292.tif 000072
【図１３】
0004535292.tif 000073
【図１４】
0004535292.tif 000074
【図１５】
0004535292.tif 000075